lncRNA介导的ceRNA调控网络在水稻干旱胁迫应答中的功能研究

Drought stress has serious adverse effects on rice production. Long noncoding RNA (lncRNA) plays a key role in plant stress response and can function as a competitive endogenous RNA (ceRNA) to inhibit the regulation of target genes by microRNAs. At present, the lncRNA research in rice mostly focus on expression pattern analysis, and lncRNA’s function as ceRNA in stress response has not been fully elucidated. In this study we will integrate the expression profiles of rice lncRNA, miRNA and mRNA to construct the ceRNA regulatory network induced by drought stress, and then identify the key drought responsive biomarkers. First, the expression level of transcripts at the tillering stages of Oryza sativa L. japonica. cv. Nipponbare under drought stress will be analyzed by RNA-seq. The differentially expressed lncRNA, miRNA and mRNA are integrated by MRE analysis, expression level correlation analysis and target gene database mining to construct miRNA-lncRNA-mRNA ternary regulatory network. Then the ceRNA regulatory module of the network will be analyzed in terms of the sequence, structure and biological function. Finally we will validate expeimentally the expression, function and regulation of the candidate ceRNAs. This study will help understand the mechanism of ceRNA regulation in drought stress response of rice, and provide candidate molecular markers for rice drought resistance breeding.

干旱胁迫对水稻生产有严重不良影响。长链非编码RNA(lncRNA)在植物逆境胁迫应答中具有关键作用，可作为竞争性内源RNA（ceRNA）抑制microRNA对靶基因的调控。目前水稻lncRNA研究多为表达模式分析，其作为ceRNA在胁迫应答中的功能研究并不多。本项目将整合水稻lncRNA、miRNA和mRNA三个层次的表达谱，构建干旱胁迫诱导的ceRNA调控网络，并据此挖掘关键的抗旱分子标记。首先，通过RNA-seq分析干旱胁迫下粳稻分蘖期转录本表达丰度，利用MRE分析、表达相关性分析以及靶基因数据库整合构建差异miRNA-lncRNA-mRNA三元调控网络。挖掘网络中权重型ceRNA调控模块，分析ceRNA的序列、结构和生物功能；最后对候选ceRNA的表达、功能和调控进行生物学实验验证。本研究有助于理解水稻干旱胁迫应答中的ceRNA调控机制，为水稻抗旱育种提供候选分子标记。

研究背景：干旱是作物生长中最大的限制因子，干旱胁迫使将对作物的长势、生理机制、激素水平产生一系列影响。长链非编码 RNA (lncRNA) 是一类参与植物多种细胞过程和应激反应的非编码内源性 RNA。 lncRNA 可以作为竞争性内源性 RNA (ceRNA) 在转录后水平调控基因表达。 然而，lncRNA作为ceRNA在水稻干旱胁迫应答中的分子机理尚不明确。.研究内容：对干旱胁迫下水稻样本进行了全转录组测序和miRNA测序，整合水稻lncRNA、miRNA和mRNA三个层次的表达谱，基于ceRNA假设，利用MRE分析、表达相关性分析以及序列匹配算法，整合差异表达miRNA、lncRNA和mRNA，构建了干旱胁迫诱导的miRNA-lncRNA-mRNA三元调控网络，利用LASSO多元回归和图论的方法对网络中lncRNA的调控地位进行评价，挖掘网络中权重型ceRNA调控模块，并对枢纽lncRNA进行功能和通路富集分析。通过RT-qPCR和RLM-5'RACE验证miRNA与靶点的表达和相互作用。分别构建lncRNA过表达载体和miRNA过表达载体，对转化植株中基因表达量、生理生化指标、代谢产物和抗旱能力进行定量分析。.研究结果：成功构建获得了具有40个lncRNA、23个miRNA和103个mRNA的干旱响应ceRNA网络。网络分析显示TCONS_00021861/miR528-3p/YUCCA7三联体是参与干旱响应的关键节点。其中TCONS_00021861与YUCCA7表达水平显著正相关（r=0.7102），与miR528-3p显著负相关（r=-0.7483）。TCONS_00021861的过表达减弱了miR528-3p对YUCCA7的抑制，导致IAA含量增加。干旱胁迫下，TCONS_00021861可以通过海绵吸附miR528-3p正向调节YUCCA7，进而激活Trp依赖性IAA生物合成途径，提高水稻抗干旱胁迫的能力。.科学意义：本研究为水稻抗旱育种提供了可靠的lncRNA候选分子标记，为通过非编码RNA的遗传操作改良作物的耐逆性提供新思路。同时揭示了lncRNA在水稻干旱胁迫应答中的ceRNA调控机制，为深入理解非编码RNA调控水稻逆境应答的复杂分子机制提供了理论依据。